​バイオ​マス​ガス​燃料​対応​エンジン​の​計測​制御​システム​の​開発

「多数​の​入出力​信号​に対して​ソフトウェア​による​柔軟​な​設定​や​操作​が​可能​で​ある​という​メリット​を​生​かし​て、​所望​の​システム​を​構築​でき​ま​した。​これ​により​実験​時​の​負担​が​軽減​さ​れ​た​だけ​で​なく、​計測​から​解析​まで​の​すべて​を​LabVIEW​で​行える​ため、​効率​が​向上​しま​した」

- Go Tomatsu, The University of Tokyo, Department of Mechanical Engineering

課題:

燃料​中​の​ガス​成分​の​差異​が​バイオ​マス​燃料​対応​エンジン​の​運転​状態​に​及ぼす​影響​を​解析、​評価​した​い。

ソリューション:

NI LabVIEW​ソフトウェア​と​PXI​ハードウェア​を​使用​し​て、​エンジン​および​模擬​バイオ​マス​ガス​燃料​生成​装置​の​各​入出力​を​測定​する。

作成​者:

Go Tomatsu - The University of Tokyo, Department of Mechanical Engineering
​東京​大学​大学院 工学​系​研究​科・​機械​工学​専攻・​金子​研究室 - 戸松 豪氏

 

バイオ​マス​ガス​と​は​有機物​の​発酵​や​熱​分解​など​により​生成​さ​れる​ガス​で​あり、​メタン (CH4)、​水素 (H2)、​一酸化​炭素 (CO) ​など​の​可燃性​ガス​と​二酸化炭素 (CO2)、​窒素 (N2) ​など​の​不燃​性​ガス​が​混合​し​て​含​まれ​ます。​その​混合​割合​は、​原料​と​なる​バイオ​マス​資源​の​種類​や​ガス​化​方式​など​によって​異なる​うえ、​ガス​化​炉​の​温度​変化​に​とも​ない​時々刻々​と​変化​し​ます。​さらに、​バイオ​マス​ガス​は​非常​に​低​発熱​量​の​ガス (H2、​CO) ​や​不燃​ガス (CO2、​N2) ​を​多く​含む​ため、​都市​ガス​など​と​比べ​て​発熱​量​が​小​さく、​これ​が​エンジン​の​運転​に際して​問題​と​なる​こと​が​あり​ます。

 

この​よう​な​バイオ​マス​ガス​燃料​に​対応​した​エンジン​を​開発​する​に​は、​燃料​の​発熱​量​や​ガス​成分​の​差異​が​エンジン​の​運転​状態​に​与える​影響​を​正しく​把握​する​こと​が​必要​です。​そこで​本​研究​では、​バイオ​マス​ガス​燃料​対応​エンジン​開発​の​第一​段階​として、​複数​の​ガス​成分​を​任意​の​割合​で​混合​した​模擬​バイオ​マス​ガス​燃料​を​用​い​て​の​エンジン​運転​実験​により、​模擬​バイオ​マス​ガス​燃料​の​燃焼​解析​を​行​いま​した。 

 

エンジン​運転​実験​では、​模擬バイオマスガス燃料生成装置から得られる模擬バイオマスガス燃料がエンジンに供給され、​データ​が​計測​さ​れ​ます。

 

 

 

これらの​装置​を​用​い​た​エンジン​運転​実験​では、​計測​信号​の​同期​および​実験​中​の​機械​操作​の​効率​化​の​2​点​が​主​な​課題​となり​ます。

 

計測

燃料​中​の​ガス​成分​の​差異​が​エンジン​の​運転​状態​に​及ぼす​影響​を​解析、​評価​する​ため​に、​エンジン​運転​中​の​燃料​流量​や​空気​流量、​エンジン​各​点​の​温度、​圧力​など、​多数​の​データ​を​計測​し​ます。​この際​に​エンジン​クランク​の​動き​と​同期​し​て​計測​すると、​後​の​解析​が​容易​に​なり​ます。​圧力​など​の​変化​の​早い​信号​は​クランク​角​1​度​毎​ (エンジン​定​格​回転​数​1500 rpm​時に​9000 Hz) で​サンプリング​し、​温度​など​の​変化​の​比較的​遅い​信号​は​クランク​一​回転​毎​で​サンプリング​​する​など、​サンプル​レート​の​設定​も​柔軟​に​行​う​必要​が​あり​ます。​また、​センサ​の​アンプ​によって​出力​電圧​の​レンジ​が​異なる​ので、​精度​よく​計測​する​ため​に​は、​チャンネル​毎​に​レンジ​を​設定​し​ます。

 

エンジン​運転​制御

​エンジン​起動​時には、​クラッチ​を​つなぎ、​セルモータを回転させて、​燃料​供給​開始​と同時に​クラッチ​を​切る、​という​操作​が​必要​となり​ます。​また、​運転​中​に​は、​スロットル、​マス​フロー​コントローラ、​スパーク​プラグ​といった​アクチュエータ​の​操作​により、​あらかじめ​設定​した​実験​条件​と​なる​よう​に、​空気​流量、​燃料​流量、​点火​時期​を​調節​する​こと​が​必要​です。​実験​中​に​エンジン​運転​状態​を​監視​し​ながら​複数​の​機器​を​操作​する​ため、​実験​者​へ​の​負担​が​大​きく、​操作​の​効率​化​が​望​ま​れ​ます。  

 

模擬​バイオ​マス​ガス​生成

​7​台​の​マス​フロー​コントローラ​により、​ボンベ​から​供給​さ​れる​6​種類​の​ガス (CH4、​C2H4、​H2、​CO、​CO2、​N2) と​都市​ガス​13A​の​流量​を​それぞれ​独立​に​監視、​制御​し​ます。​任意​の​混合​割合​で​模擬​バイオ​マス​ガス​を​生成​し、​同時に​7​台​の​コントローラ​を​操作​する​必要​が​ある​ため、​操作​は​煩雑​に​なり​ます。

 

システム​構成

7​台​の​コントローラ​を​同時に​操作​する​ため、​NI​製品​を​使用​し​て​エンジン​計測​装置​と​模擬​バイオ​マス​ガス​燃料​生成​装置​の​各​入出力​を​一元化​し、​エンジン​計測​制御​システム​と​模擬​バイオ​マス​ガス​燃料​生成​システム​を​構築​し​ます。​いずれ​の​システム​において​も、​ソフトウェア​の​開発​に​はLabVIEWを​使用​し​ます。

 

​エンジン​計測​制御​システム​に​は​、​NI PXI-8176​コントローラ、​PXI-6071E​アナログ​入力​マルチ​ファンクション​データ​収集 (DAQ) モジュール、​PXI-6733​高速​アナログ​出力​モジュール、​PXI-6602​タイミング​および​デジタル​I/​O​モジュール​を​使用​し​ます。​計測​用​に​は​PXI-6071E​を​使用​し​て、​ロ​ータ​リ​エンコーダ​から​の​信号​を​基​に、​センサ​から​の​出力​を​クランク​角度​毎​に​サンプリング​し​ます。​運転​制御​用​に​は​PXI-6733​モジュール​を​使用​し​て、​クラッチ、​セル​モータ、​スロットル、​マス​フロー​コントローラ​など​の​アクチュエータ​操作​を​行い​ます。​また、​PXI-6602​を​使用​し​て​点火​信号​の​生成​を​行い​ます。​エンジン​運転​中​に​操作​する​各​機器​から​の​入出力​信号​は​NI​製​ハードウェア​に​一元化​さ​れ​ます。​このように、​エンジン​の​運転​と​計測​を​PC​ベース​で​行える​システム​を​構築​しま​した。

 

模擬​バイオ​マス​ガス​生成​システム​の​開発​に​は、​市販​の​デスク​トップ​PC​と​PXI​シャー​シ​、​PXI-6031E​アナログ​入力​マルチ​ファンクション​DAQ​モジュール、​PXI-6733​モジュール​を​使用​しま​した。​PXI-6733​から​入力​さ​れる​電圧​により​各​ガス​成分​の​流量​を​制御​し、​PXI-6031E​により​実際​の​流量​を​計測​し​ます。​こうして、​PC​で​7​台​の​マス​フロー​コントローラ​を​同時に​操作​し、​7​種類​の​各​ガス​成分​を​任意​の​混合​割合​に​制御​できる​システム​を​構築​する​こと​が​でき​ま​した。

 

結果

計測​に関して​は、​エンジン​クランク​の​動き​と​同期​した​サンプリング​が​可能​に​なり​ま​した。​また、​チャンネル​毎​の​サンプル​レート​や​計測​レンジ​を​ソフトウェア​により​容易​に​設定​できる​よう​に​なり​ま​した。​テスト​を​PC​のみ​で​行う​こと​が​可能​に​なり、​実験​時​の​機器​​操作​が​簡素​化​さ​れ​ま​した。​

 

さらに、​計測​した​データ​の​解析​に​も​LabVIEW​を​使用​しま​した。​実験​から​解析​まで​の​すべて​を​LabVIEW​を​使用​し​て​行う​こと​が​でき​た​ため、​複数​の​プログラミング​言語​を​習得​する​必要​が​なく​なり、​その​分​の​時間​を​短縮​でき​ま​した。

 

 

 

エンジン​計測​制御​これらの​データ​を​も​と​に、​図​2 (b) に​示す​解析​プログラム​を​用​い​て、​エンジン​性能 (出力、​熱​効率、​出力​の​変動​係数​など) や、​燃焼​特性 (燃焼​開始​時期、​燃焼​期間​など) を​解析​し​ます。

 

 

 

まとめ

LabVIEW​を​使用​し​て、​バイオ​マス​ガス​燃料​対応​エンジン​の​計測​制御​システム​を​構築​でき​ま​した。​多数​の​入出力​信号​に対して​ソフトウェア​による​柔軟​な​設定​や​操作​が​可能​で​ある​という​メリット​を​生​かし​て、​所望​の​システム​を​構築​でき​ま​した。​これ​により​実験​時​の​負担​が​軽減​さ​れ​た​だけ​で​なく、​計測​から​解析​まで​の​すべて​を​LabVIEW​で​行える​ため、​効率​が​向上​しま​した。​最後​に、​今後​バイオ​マス​ガス​燃料​対応​エンジン​の​制御​システム​を​試作​する​場合​でも​、​この​新しい​システム​は​ソフトウェア​の​変更​のみ​で​利用​できる​ため、​開発​効率​の​更​なる​向上​が​期待​でき​ます。

 

著者​情報:

Go Tomatsu
The University of Tokyo, Department of Mechanical Engineering

図​1. ​ ​実験​装置​の​概念​図 ​
図​4. ​ ​解析 ​
図​2 (a) は ​ ​エンジン​計測​制御​用​プログラム​を​示し​てい​ます。​エンジン始動シーケンスを自動で行った後、​アクチュエータ​を​手動​制御​し​て​実験​条件​に​合わせ、​エンジン​の​運転​データ​を​計測​し​ます。 ​
図​2 (b). ​ ​7​種類​の​ガス​の​流量​を​それぞれ​監視​する ​